本發(fā)明涉及一種基于模型預(yù)測的三相逆變器故障在線診斷方法。

背景技術(shù)：

電力電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，使得電力電子裝置廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交通運輸、航空航天、通信工程、鋼鐵冶金等諸多領(lǐng)域。而隨著技術(shù)的日益復(fù)雜化，系統(tǒng)的安全可靠性要求越來越高，電子電子裝置常作為生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備。因電力電子裝置故障造成的損失巨大。另一方面，電力電子電路的可靠性對于整個系統(tǒng)來說是較為薄弱的環(huán)節(jié)，作為能量變換的主體，它的故障率最高，故障造成的后果最嚴重。在故障診斷的基礎(chǔ)上進行冗余設(shè)計和容錯控制，對系統(tǒng)改造升級，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

電壓型逆變器(vsi)被廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動和各種電能質(zhì)量相關(guān)的場合，逆變器輸出電能質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的工作狀態(tài)，工業(yè)場合大約有38％的故障是由于電源造成的。其中開關(guān)器件的開路故障是最常見的故障，造成開關(guān)器件開路的因素有很多，并且開關(guān)器件的開路故障將會導(dǎo)致故障相與正常相橋臂的電流紊亂失調(diào)，輸出轉(zhuǎn)矩大幅度脈動，其余開關(guān)器件承受電壓不均衡，造成二次故障，最終引起系統(tǒng)崩潰。因此，研究逆變器開路故障的在線診斷對于快速檢測電路故障報警，及時調(diào)整容錯控制策略等有著重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于模型預(yù)測的三相逆變器故障在線診斷方法，解決了現(xiàn)有的故障診斷方法存在的檢測速度慢，需要額外增加檢測電路，難以準確定位故障開關(guān)管等缺點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于模型預(yù)測的三相逆變器故障在線診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟s1：提供一逆變器電力電子系統(tǒng)，包括由功率開關(guān)管vt1至功率開關(guān)管vt6組成的逆變器，所述逆變器的輸入端并聯(lián)有濾波電容，所述逆變器的輸出端連接有負載；所述逆變器的輸出端還設(shè)置有電壓傳感器用于檢測逆變器的輸出相電壓v＝[v1,v2,v3]并將所述輸出相電壓v＝[v1,v2,v3]反饋給控制器，所述控制器輸出開關(guān)信號s＝[s1s2s3s4s5s6]經(jīng)隔離和驅(qū)動電路輸出到功率開關(guān)管vt1至功率開關(guān)管vt6的驅(qū)動端，其中，si為輸出到功率開關(guān)管vti的驅(qū)動端的開關(guān)信號，在開關(guān)信號si中，pwm波形的占空比為di，其中，i為自然數(shù)且1≤i≤6；

步驟s2：構(gòu)建逆變器系統(tǒng)電路的參考模型，利用模型觀測器，由當前的開關(guān)信號s＝[s1s2s3s4s5s6]及占空比d＝[d1d2d3d4d5d6]獲取正常工作狀態(tài)下期望輸出的狀態(tài)變量其中為a相期望變量值，為b相期望變量值，為c相期望變量值；

步驟s3：將電壓傳感器采集的當前周期的三相輸出變量實際值x＝[xaxbxc]^t與所述期望輸出的狀態(tài)變量進行比較，獲得三相狀態(tài)變量殘差z＝[zazbzc]^t，具體如下：

步驟s4：利用park坐標變換將三相靜止abc坐標系下的za、zb和zc變換為兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的zd和zq，再根據(jù)式求出三相狀態(tài)變量殘差z的特征幅值將所述幅值與閾值σ相比較，若則電路發(fā)生故障，否則電路工作正常，開始下一周期的診斷。

進一步的，所述步驟s4后還包括，

步驟s5：若判定電路發(fā)生故障，發(fā)出報警信號，并且啟動故障診斷器，進行故障類型識別與定位，具體如下：

步驟s51：首先獲取當前周期傳感器測量的實際輸出電壓v＝v(k)＝[vavbvc]；

步驟s52：獲取當前周期控制器輸出各開關(guān)信號的占空比d＝d(k)＝[d1d2d3d4d5d6]；

步驟s53：讀取已知故障的開關(guān)序列sf＝[sf1sf2sf3sf4sf5sf6]，其中有一個功率開關(guān)器件開路導(dǎo)致的輸出變化的開關(guān)管故障有6種情況；有兩個功率開關(guān)器件同時開路導(dǎo)致的輸出變化的開關(guān)管故障有15種情況；有三個功率開關(guān)器件同時開路導(dǎo)致的輸出變化的開關(guān)管故障有18種情況；共計故障開關(guān)序列有39種；

步驟s54：初始化目標函數(shù)gop；

步驟s55：由式vf＝sf·d·vdc，求取每種開關(guān)管故障狀態(tài)下的可能故障輸出vf(j)，保存結(jié)果，其中j為自然數(shù)且1≤j≤m，m為開關(guān)器件的故障類型數(shù)；

步驟s56：由式對第j種故障分別求取目標函數(shù)，保存結(jié)果；

步驟s57：對g(j)進行比較，選取其中的最小值，保存該狀態(tài)下的開關(guān)序列sf＝[sf1sf2sf3sf4sf5sf6]；在線查詢所對應(yīng)的開關(guān)故障序列；

步驟s58：報警顯示故障開關(guān)管序號，完成故障開關(guān)器件的診斷與定位。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、利用原有的閉環(huán)控制系統(tǒng)，不必增加多余的硬件電路，節(jié)約資源和成本；

2、輸入量少，可行性高，用軟件即可方便實現(xiàn)邏輯判斷；

3、在線式啟動診斷機制，保證系統(tǒng)的實時性和快速響應(yīng)；

4、可結(jié)合容錯性質(zhì)的算法，保證診斷系統(tǒng)的可靠性與準確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明涉及的逆變器電力電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明涉及的故障開關(guān)器件定位程序流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示為故障診斷系統(tǒng)，直流電源給逆變器供電，逆變器將其變換為滿足需要的三相電能，提供給負載。在這個過程中，由于引入了閉環(huán)控制，需要傳感器獲取逆變器輸出的變量信息x＝[xaxbxc]^t，反饋給控制器，經(jīng)過算法調(diào)制與邏輯運算，輸出需要的開關(guān)信號s＝[s1s2s3s4s5s6]，包含其對應(yīng)的開關(guān)周期占空比d＝[d1d2d3d4d5d6]，實時調(diào)整，以滿足負載的供電要求，由此完成正常情況下電能的轉(zhuǎn)換傳輸。其中，故障診斷器由參考模型、故障判斷、故障分析與定位三部分功能組成。

如圖2所示為所提逆變器電力電子系統(tǒng)，包括了直流濾波電容、逆變器、電壓傳感器、控制器、隔離與驅(qū)動電路；逆變器部分由功率開關(guān)管vt1、vt2……vt6組成，其中vt1與vt4構(gòu)成a相橋臂、vt3與vt6構(gòu)成b相橋臂、vt5與vt2構(gòu)成c相橋臂。vt1、vt3、vt5是上橋臂，vt4、vt6、vt2是下橋臂；直流電壓源并聯(lián)濾波電容，連接到逆變器的輸入端，逆變器的交流輸出端連接到負載。電壓傳感器測量逆變器的輸出相電壓，即負載端對地電壓。v＝[v1,v2,v3]。檢測到的三相電壓輸出信號反饋給控制器?？刂破鬏敵鲩_關(guān)信號s＝[s1s2s3s4s5s6]，經(jīng)隔離和驅(qū)動電路輸出到各個開關(guān)管的驅(qū)動端。每個開關(guān)信號中，pwm波形的占空比不同且隨著時間變化，決定了每只開關(guān)管的開通時間。開關(guān)順序和占空比決定了最終逆變器電壓輸出值。

基于以上所述系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種基于模型預(yù)測的三相逆變器故障在線診斷方法，包括以下具體步驟：

步驟s1：提供如圖2所示的逆變器電力電子系統(tǒng)，包括由功率開關(guān)管vt1至功率開關(guān)管vt6組成的逆變器，所述逆變器的輸入端并聯(lián)有濾波電容，所述逆變器的輸出端連接有負載；所述逆變器的輸出端還設(shè)置有電壓傳感器用于檢測逆變器的輸出相電壓v＝[v1,v2,v3]并將所述輸出相電壓v＝[v1,v2,v3]反饋給控制器，所述控制器輸出開關(guān)信號s＝[s1s2s3s4s5s6]經(jīng)隔離和驅(qū)動電路輸出到功率開關(guān)管vt1至功率開關(guān)管vt6的驅(qū)動端，其中，si為輸出到功率開關(guān)管vti的驅(qū)動端的開關(guān)信號，在開關(guān)信號si中，pwm波形的占空比為di，其中，i為自然數(shù)且1≤i≤6；

步驟s2：構(gòu)建逆變器系統(tǒng)電路的參考模型，利用模型觀測器，由當前的開關(guān)信號s＝[s1s2s3s4s5s6]及占空比d＝[d1d2d3d4d5d6]獲取正常工作狀態(tài)下期望輸出的狀態(tài)變量其中為a相期望變量值，為b相期望變量值，為c相期望變量值；

步驟s3：將電壓傳感器采集的當前周期的三相輸出變量實際值x＝[xaxbxc]^t(即步驟s1中電壓傳感器測得的輸出相電壓v＝[v1,v2,v3])與所述期望輸出的狀態(tài)變量進行比較，獲得三相狀態(tài)變量殘差z＝[zazbzc]^t，具體如下：

步驟s4：利用park坐標變換將三相靜止abc坐標系下的za、zb和zc變換為兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的zd和zq，再根據(jù)式求出三相狀態(tài)變量殘差z的特征幅值將所述幅值與閾值σ相比較，若則電路發(fā)生故障，否則電路工作正常，開始下一周期的診斷。

步驟s5：若判定電路發(fā)生故障，發(fā)出報警信號，并且啟動故障診斷器，進行故障類型識別與定位，請參照圖3，具體如下：

步驟s51：首先獲取當前周期傳感器測量的實際輸出電壓v＝v(k)＝[vavbvc]；

步驟s52：獲取當前周期控制器輸出各開關(guān)信號的占空比d＝d(k)＝[d1d2d3d4d5d6]；

步驟s53：讀取已知故障的開關(guān)序列sf＝[sf1sf2sf3sf4sf5sf6]，其中有一個功率開關(guān)器件開路導(dǎo)致的輸出變化的開關(guān)管故障有6種情況；有兩個功率開關(guān)器件同時開路導(dǎo)致的輸出變化的開關(guān)管故障有15種情況；有三個功率開關(guān)器件同時開路導(dǎo)致的輸出變化的開關(guān)管故障有18種情況；共計故障開關(guān)序列有39種；

步驟s54：初始化目標函數(shù)gop；

步驟s55：由式vf＝sf·d·vdc，求取每種開關(guān)管故障狀態(tài)下的可能故障輸出vf(j)，保存結(jié)果，其中j為自然數(shù)且1≤j≤m，m為開關(guān)器件的故障類型數(shù)；

步驟s56：由式對第j種故障分別求取目標函數(shù)，保存結(jié)果；

步驟s57：對g(j)進行比較，選取其中的最小值，保存該狀態(tài)下的開關(guān)序列sf＝[sf1sf2sf3sf4sf5sf6]；在線查詢所對應(yīng)的開關(guān)故障序列。

步驟s58：報警顯示故障開關(guān)管序號，完成故障開關(guān)器件的診斷與定位。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。